北京地铁首都机场线辅助供电系统问题分析与改造

胡强

（北京京城地铁有限公司 北京 101304）

随着城市公共交通工具不断革新，城市轨道交通、有轨电车新技术不断涌现。从1890年12月18日世界上第一条真正的电气化地铁诞生以来，城市轨道交通成为现代城市必不可少的重要交通工具，是维持城市居民工作、学习和生活正常秩序的重要保障。

北京地铁首都机场线目前使用的是由庞巴迪公司设计制造的早期地铁车辆，采用的是十多年前老式供电方式及陈旧的箱体设计方案，从而无法应对现阶段的使用要求，在车辆运行过程中有着较高的故障率。本文将重点介绍目前北京机场线列车辅助供电系统技术特点及现状，针对目前车辆辅助供电系统常见的故障案例进行分析，并对车辆辅助供电系统的内部接触器换型并进行控制方式的改造。

1 国内外城市轨道交通辅助供电系统现状

城市轨道交通车辆中的辅助供电系统是最为重要的一个环节，关系到整个列车的运营。辅助供电的逆变电压技术大部分采用旋转式电动发电机组供电，主接触轨则是为轨道电动车辆提供直流的高压电，再通过电动机带着发电机进行工作，输出三相交流电为车辆的所有电气元件供电；辅助供电系统再通过使用三相变压器和整流等相关设备对直流电进行变换，并将输出三相交流电转变为低压控制使用的直流110V和直流24V。

地铁列车中具有分散供电及直接供电两种复杂供电方式，多数的列车车辆中都会配置静止的辅助逆变器及控制电源对其进行集中的供电。在传统的地铁中，应用的方式为分散供电模式，此种方式无法在出现故障时实现及时有效的供电。对此，在科学的快速发展过程中，多数的城市轨道列车都通过直接供电方式进行供电，此种方式可以提升整体的舒适度。对此，在实际中，必须要加强对城市轨道交通列车的辅助供电系统的相关要求的研究，只有这样，才可以在根本上提升其整体质量，进而为人们提供更为优质的服务。

2 北京地铁首都机场线列车辅助供电系统概况

2.1 系统概述

辅助供电系统（APU）将给所有车载设备提供其所需工作电压并提供高压电给车辆的配电系统［1］，从受流器或车间电源接收750VDC高压电，将其转换成3-相50Hz、380VAC，1-相50HZ、220VAC，以及低压48VDC（额定）。

380VAC 供电给电热器、通风和空调（HVAC）系统、牵引系统电源转换装置（PCU）的冷却风扇、线性感应电机（LIM）冷却风扇、供气压缩机（仅A车）、盘式制动器液压泵（仅B车）和挡风玻璃加热器；220VAC供电给便利插座；48VDC供电给低压DC总线并且保持蓄电池充电。APU也给地板电热器提供750VDC。

2.2 系统主要工作原理

APU包括有一个逆变器、一个单相变压器、一个低压供电电源（LVPS）和所有必要的控制、保护和监控设备［2］，APU在得到高压电后将自动启动并产生其控制电压，即使在蓄电池完全放电的情况下，只要得到高压电后即可起动，它的750VDC一次电输入级具有反极保护。

2.3 系统运行输出情况

2.3.1 三相380VAC供电

三相逆变器提供APU三相380VAC、50Hz输出［3］，连续额定功率为65kVA 三相380VAC。三线输出供电给HVAC装置、牵引动力转换装置（PCU）冷却风扇、线性感应电机（LIM）冷却风扇、供风压缩机（仅A车）、盘式制动液压泵（仅B车）和风挡加热器。

2.3.2 单相220VAC供电

APU 单相220VAC 供电从逆变器的三相380VAC输出中得出逆变器输出的两相供电单相降压变压器（TX1），变压器二次绕组提供220VAC、50Hz的输出，最大额定负载为5kVA（22.7AMPS）。

2.3.3低压供电（LVPS）

在APU 中的LVPS 装置转换一次电给低压DC，用来供电低压配电总线和充电蓄电池，输出电压公称48VDC，但是可在34VDC和60VDC之间变化，并且输出额定功率为16kW，LVPS输出电压予以独立控制来提供适当的电压用于蓄电池充电（充电状态和相依的温度）。

3 列车辅助供电系统典型故障案例处理分析

3.1 典型故障情况

首都机场线的辅助供电系统主要故障包括板卡类故障、接触器类故障、逆变单元故障、内部电感类故障。针对板卡类故障，通过定期检测内部供电板卡的输出，从而控制内部其他板卡的安全工作环境，改善板卡故障率；接触器类故障，通过换型改造后，故障率下降明显，近几年未发生内部接触器故障。

在所有故障中，内部电感故障比较典型。由于北京环境的特殊性，地面线及高架线运营较长，周围环境的树叶、柳絮及雨雪天气都很容易造成辅助系统内部电感位置的异物堆积、进水进雪问题，造成箱体内部滤波电感的接地故障。

3.2 针对辅助供电系统典型故障分析及处理

3.2.1 故障概况

故障现象是辅助供电系统无交流380V输出，造成本节车380V用电设备无法正常工作，出现单节车少牵引及制动泵不工作造成的供应压力低等故障。

3.2.2 故障处理经过

车辆正线运营，在东直门站停查车时，发现2号车供应压力低至123Bar，故障报警报2 号车EHU 压力生成率比预期低。

先期故障预判断，接报后先期预判断有下列5种故障点原因：（1）报活故障2号车制动单元故障；（2）辅助供电系统高压侧逆变器控制板故障；（3）辅助供电系统380V输出接触器故障；（4）辅助供电系统380VIGBT逆变总成故障；（5）辅助供电系统380V输出电感故障。

3.2.3 故障现象确认

车辆回段后检查故障报警显示，EHU 压力生成率比预期低，下载行车记录进行分析后发现，2号车380V用电设备的电源状态异常跳变，无法稳定输出工作，车辆制动系统泵电机收到工作指令，但供应压力无法正常上升，处于供应压力低的状态，初步排除故障点A的2 号车制动单元故障。从记录中发现的故障现象分析，故障点在380V输出电源回路。

3.2.4 故障检查过程

首先，对故障的辅助供电箱进行送电观察［4］，针对先期预判的疑似故障点1 逆变器控制板故障进行排查，检查发现380V 输出接触器CON3 闭合正常，从而排除疑似故障点B、C 的逆变器控制板和380V 输出接触器故障。

随后，通过辅助供电系统高压侧电路图纸（见图1）进行分析，利用排除法进行分段测量。测量疑似故障点D的380VIGBT逆变总成的三相输出是否正常，将后面的电感接线切除，再次通电对380VIGBT逆变总成的三相输出点进行测量，测量结果数值正常，排除疑似故障点D的问题。

图1 辅助供电系统高压侧电路图

通过以上故障点的排除，初步确定故障点在后面，继续对疑似故障点E 电感进行摇绝缘测试，发现存在摇表指针跳零的接地现象，判断电感可能存在故障。

将故障辅助供电箱下车，把存在异常的滤波电感拆解，过程中发现电感周围箱体内部堆积大量异物，并伴有潮湿的现象。电感拆下后，发现表面有接地烧损现象，随即对该滤波电感进行更换。

随后，对更换滤波电感的辅助供电箱进行再次送电试验，辅助系统启动正常，经万用表测量交流输出端电压AC380V 输出正常，其他状态显示灯显示正常。将箱体重新上车试验，车辆状态良好，制动泵正常打泵，故障报警消失，辅助供电系统工作正常。

3.2.5 故障产生的直接原因与逻辑分析

此次380V 交流滤波电感故障造成辅助供电系统的380V 电源无法正常输出，造成车辆380V 用电设备无法正常工作［5］。通过电路原理图分析可以看出，当输出端的380V交流滤波电感损伤或功能降低后，对辅助供电系统的380V 输出主回路不能起到有效滤波的作用，将直接影响到车辆380V 用电设备的正常使用［6］。本案例中，380V交流滤波电感自身的损伤是造成辅助供电系统380V电源输出不稳定、造成制动系统的供应压力低的直接原因。

3.2.6 该类故障预防措施

由于此类故障属于高压电器部件故障，在日常检修过程中将加强关注，在故障发生后进行了所有车辆的普查工作，并且在随后的修程中安排进行重点检查，对辅助供电箱体内的电感位置进行吹风，减少内部异物堆积，通过目视、耳听、鼻闻等细致检查确认部件状态是否良好，从而减少内部电感的外部接地等故障。

4 辅助供电系统内部接触器换型及控制原理改造

4.1 换型及改造原因

首都机场线在2013年期间针对车辆辅助供电系统内部CON3、CON2 接触器故障较高的问题进行了接触器换型。CON3接触器是系统中的主要负载接触器，控制列车的380V 输出，车辆各重要系统都会受到CON3 接触的影响。并且针对控制电路的电压较低会发生无法稳定控制接触器的现象，对控制电路进行了改造，从而通过低电压来控制高电压，加强了接触器的工作稳定性。

4.2 改造方法及原理

将原有的CON2 接触器TAE50 和CON3 接触器TAE95 更换为新型接触器AF50 和AF95［7］。在导轨上安装新增加的端子排型继电器CON2.1 和CON3.1，改造设计图纸见图2。

图2 接触器线路改造控制原理图

CON3 接触器的改造：从CON3 接触器的A1 端子布一根线到CON3.1 继电器的A1 端子上，线号为90线，将CON3接触器A2 端子的206控制线接到CON3.1继电器A2 端子。在CON3.1 继电器输出端的11 端子布线到CON3接触的A2端子处，在CON3.1继电器输出端的14 端子处布线到辅助供电板的负极，线号为33线。从而实现通过控制继电器CON3.1达到控制CON3接触器控制线圈的得电和失电。

CON2 接触器的改造：CON2 接触器的控制回路原理与CON3接触器的原理相同，但在CON2的控制回路里增加了CON3接触的辅助触点控制，当CON3线圈的电导通后，通过辅助触点的33B和33C闭合，从而控制CON2 的控制回路导通，使负极回到辅助供电板的33线，达到通过控制CON2.1 而控制CON2 接触器控制线圈的得电和失电。

4.3 改造后的优点

更新改造前2010年到2012年辅助供电系统故障137 条，由于内部接触器故障为28 条；更新改造后，2014年到2016年辅助供电系统故障78 条，由于内部接触器故障为9条，故障率下降明显。

5 结语

本文系统地对北京首都机场线列车辅助供电系统进行了详细的介绍，并梳理了车辆运营期间该系统主要发生故障，针对其中典型的故障案例，进行了详细介绍，将其处理过程进行了梳理，为日后再次发生此类故障时可以有目标地进行处理，加快相关人员对车辆故障的处理时间和效率，为未来线路的安全运营奠定了重要的技术基础。

目前，北京首都机场线所有上线运营车辆在进行了辅助供电系统内部接触器创新改造后运营至现在，其接触器故障率下降明显，通过故障数据统计对比后，得出了改造效果优异、故障率有较明显的下降等结论。接触器创新改造有效解决了接触器控制方面的问题，极大地改善了接触器故障对辅助供电系统的影响，大大降低辅助供电系统故障率。该改造项目可在其他辅助供电系统接触器控制方式的地铁轨道车辆上应用。